L'importance historique du rivetage dans la construction de gratte-ciel

De la fin du XIXe siècle à la mi-siècle, presque tous les gratte-ciels importants se sont appuyés sur des rivets à chaud pour relier des poutres, des colonnes et des poutres. Des rivets chauffés par des travailleurs aux températures rouges cerises, les ont insérés dans des trous alignés dans des éléments d'acier, puis ont martelé l'extrémité de saillie dans une seconde tête à l'aide d'outils pneumatiques ou de marteaux manuels. Ce processus a créé une connexion permanente et à haute résistance capable de transférer les forces axiales et de cisaillement à travers le cadre structurel.

Contrairement aux attaches à filetage précoce, les rivets ont rempli tout le diamètre du trou au moment du refroidissement, créant ainsi un ajustement serré qui minimisait le glissement et le mouvement sous les charges de service. Cette caractéristique a rendu les raccords rivetés particulièrement adaptés aux schémas de chargement répétitifs dans les grands bâtiments soumis à l'activité du vent et des occupants. Les ingénieurs de l'époque ont compris qu'un rivet bien entraîné pouvait développer des forces de serrage qui maintenaient fermement les membres en acier, empêchant ainsi un mouvement relatif qui pourrait conduire au bruit, aux vibrations ou à un relâchement progressif au fil du temps.

Les gratte-ciels historiques comme le Woolworth Building, le Chrysler Building et l'Empire State Building ont tous compté sur des millions de rivets pour atteindre leurs sommets records. L'American Society of Civil Engineers a reconnu que bon nombre de ces structures étaient des monuments historiques précisément en raison des techniques de construction novatrices qu'elles employaient.

Il est important de comprendre l'histoire du rivetage car il établit la base pour évaluer la façon dont ces connexions se produisent sous des événements extrêmes comme les tremblements de terre. Beaucoup des bâtiments les plus hauts du monde dans les régions sismiquement actives ont été construits pendant l'ère du rivetage, et leur occupation sécuritaire continue dépend de la connaissance exacte de la réaction des articulations rivetées aux forces latérales.

Propriétés mécaniques des joints rivetés sous chargement sismique

Les tremblements de terre soumettent les cadres de construction à des déplacements latéraux cycliques qui peuvent causer des dommages progressifs si les connexions ne sont pas conçues correctement. Le comportement mécanique des joints rivetés diffère de celui des raccords soudés ou boulonnés de plusieurs façons qui affectent directement les performances sismiques.

Ductilité et dissipation d'énergie

La ductilité décrit la capacité d'un matériau ou d'un raccord à subir une déformation plastique sans fracturation. Dans la conception sismique, les connexions ductile permettent à la structure d'absorber l'énergie sismique par un rendement contrôlé plutôt que par des forces de résistance élastique jusqu'à ce qu'une défaillance soudaine se produise. Les articulations rivetées présentent une ductilité appréciable parce que les rivets eux-mêmes peuvent produire en cisaillement ou en roulement avant que la plaque d'acier environnante ne échoue.

Les recherches publiées dans le Journal of Structural Engineering ont montré que les rivets à chaud développent des contraintes de traction résiduelles à mesure qu'ils refroidissent, ce qui augmente la force de serrage entre les plaques connectées. Cette force de serrage améliore la composante de friction de l'articulation, lui permettant de dissiper l'énergie par glissement par frottement pendant l'excitation sismique. La combinaison de la production de rivets, de déformation du roulement de la plaque et de frottement fournit un système de dissipation d'énergie multimécanique qui peut empêcher une fracture fragile du cadre général.

Distribution des charges et redondance

Une connexion rivetée typique utilise plusieurs rivets disposés en motifs le long des lignes de gage des membres connectés. Cette multiplicité crée une redondance inhérente : si un rivet commence à échouer, les rivets restants peuvent redistribuer la charge à d'autres parties de la connexion. La répartition de la charge n'est pas parfaitement uniforme en raison des effets élastiques de la laps de cisaillement, mais la présence de plusieurs rivets fournit une marge de sécurité que les connexions à fixation unique manquent.

La redondance des connexions rivetées est un avantage structurel lors des tremblements de terre, où des événements de surcontraction localisée peuvent se produire comme des voies de construction. La spécification de l'AISC pour les bâtiments en acier structurel reconnaît l'importance de la redondance dans les systèmes de résistance à la force sismique. Les connexions rivetées, par leur nature même, incarnent ce principe parce que la trajectoire de charge est répartie sur de nombreuses attaches.

Stiffness et facilité d'entretien

Les joints rivetés sont généralement plus rigides que les raccords boulonnés, mais moins rigides que les raccords soudés à pleine pénétration. La rigidité affecte la façon dont le bâtiment réagit aux mouvements sismiques du sol parce qu'il influence la période naturelle de la structure. Un bâtiment rigide attire des forces sismiques plus élevées mais subit des déplacements plus petits.

L'ajustement serré des rivets à chaud élimine une grande partie du glissement qui se produit dans les liaisons boulonnées avec des trous standard. Cette adaptation serrée garantit que le bâtiment ne subit pas de changements soudains lors de tremblements de terre modérés, ce qui pourrait endommager les composants non structurels et les finitions intérieures.

Analyse comparative : Rivated vs. Welded vs. Bolted Connections

La construction moderne de tours à grande hauteur utilise principalement des raccords soudés et boulonnés, mais chaque méthode présente des avantages et des limites distincts lorsqu'elle est évaluée pour la résistance sismique.

Connexions soudées

Dans les applications sismiques, les connexions à moments soudés peuvent développer la pleine capacité de moment plastique du faisceau, ce qui est souhaitable pour la dissipation d'énergie par le hying de faisceau. Cependant, les connexions soudées nécessitent un contrôle de qualité minutieux pour éviter des défauts tels que la fusion incomplète, l'inclusion de laitier et la fissuration de l'hydrogène. Les connexions soudées critiques pour la fracture peuvent échouer de manière fragile si le métal soudé ou la zone affectée par la chaleur a une faible ténacité.

Le tremblement de terre de Northridge de 1994 a révélé des vulnérabilités importantes dans les connexions à moments soudés qui avaient été largement utilisées dans les cadres de construction. De nombreuses connexions ont subi des fractures fragiles à l'interface de la colonne de soudure avant que les poutres puissent développer leur capacité plastique.

Connexions boulonnées

Les boulons peuvent être installés rapidement avec des exigences minimales de compétence par rapport au soudage ou au rivetage. Les boulons critiques à l'aide de boulons prétensionnés qui serrent les plaques connectées ensemble, créent des frictions qui résistent aux glissements sous les charges de service. Sous les surcharges sismiques, les boulons peuvent glisser dans le roulement, fournissant une réponse ductile semblable aux rivets.

Les raccords boulonnés ne sont pas serrés par les rivets à chaud, car le diamètre du boulon est légèrement plus petit que le trou pour permettre l'installation. Cette distance crée une plage de glissement avant que le boulon porte contre la plaque, ce qui peut entraîner une déformation de connexion qui peut être indésirable dans certains systèmes de résistance à la force sismique.

Rapprochement des liens dans le contexte

La méthode d'installation à chaud produit une fixation qui remplit complètement le trou, fournissant une surface de roulement sur toute la longueur de la tige de rivet. Les contraintes de traction résiduelles du refroidissement créent des forces de serrage comparables aux boulons prétendus, et le comportement de cisaillement ductile du matériau de rivet fournit une capacité de dissipation d'énergie. Bien que le rivetage soit plus intensif en main-d'œuvre et plus lent à installer que le boulonnage, la connexion résultante a démontré une excellente fiabilité à long terme dans les applications sismiques.

Pour les bâtiments existants qui ont été rivetés à l'origine, le maintien du type de connexion original pendant la mise à niveau sismique peut être avantageux car il préserve la trajectoire de charge et les caractéristiques de ductilité que la structure a déjà démontrées au cours de décennies de service.

Études de cas : Des gratte-ciels rivetés qui ont survécu à des tremblements de terre majeurs

Les données de performance réelles des séismes réels fournissent les preuves les plus convaincantes de la résilience sismique des structures rivetées. L'examen de la façon dont les gratte-ciels rivetés historiques ont été obtenus lors d'événements sismiques majeurs offre des indications pratiques aux ingénieurs et aux propriétaires de bâtiments.

L'Empire Bâtiment d'État

Le bâtiment Empire State a été achevé en 1931 en utilisant environ 10 millions de rivets dans son cadre en acier. Le système structural du bâtiment est constitué d'un cadre en acier rigide avec des connexions rivetées moment aux joints de la colonne de faisceau. Cette structure a connu de nombreux événements sismiques au cours de son histoire de presque siècle, y compris le tremblement de terre de Massena 1944 et le tremblement de terre de Virginie 2011 qui a secoué une grande partie de l'est des États-Unis.

Après chaque tremblement de terre, les inspections de l'Empire State Building n'ont révélé aucun dommage structurel significatif aux connexions rivetées. La longue période naturelle de l'édifice, combinée à la ductilité de ses articulations rivetées, lui a permis de réagir aux mouvements du sol sans trop stresser les connexions. La performance de l'édifice souligne le principe qu'un cadre riveté bien conçu peut fournir une résistance sismique robuste même lorsqu'il a été conçu longtemps avant l'existence des codes sismiques modernes.

Autres exemples notables

Plusieurs autres gratte-ciel rivetés ont démontré leur résistance sismique. La pyramide Transamerica de San Francisco, achevée en 1972, utilise une combinaison de connexions rivetées et boulonnées dans son système structurel innovant. Bien qu'elle soit située près de la faille San Andreas, le bâtiment a bien fonctionné lors du tremblement de terre de Loma Prieta de 1989 et du tremblement de terre de Napa de 2014.

Le Columbia Center de Seattle, achevé en 1985, est l'un des plus hauts bâtiments du Pacifique Nord-Ouest et utilise des connexions rivetées dans sa structure centrale. Le bâtiment a survécu au tremblement de terre de Nisqually de 2001, qui a causé des dommages considérables aux structures de maçonnerie non renforcées dans la région. Les inspections après le séisme ont révélé seulement des dommages mineurs au cadre en acier, sans qu'aucune défaillance de connexion n'ait été signalée.

La science des modes de défaillance des rivets lors d'événements sismiques

Pour évaluer leur sécurité et concevoir des aménagements, il est essentiel de comprendre comment les connexions rivetées peuvent échouer sous une charge sismique. La défaillance du rivet implique généralement l'un des trois mécanismes principaux : la rupture du cisaillement, la rupture du roulement ou la fissuration de la fatigue.

Échec au karité

La rupture du cisaillement se produit lorsque le rivet est soumis à des forces de cisaillement qui dépassent sa résistance au cisaillement. Dans un joint riveté, le rivet traverse des trous alignés dans les plaques connectées, et la charge appliquée tend à cisailler le rivet à l'interface entre les plaques. La résistance au cisaillement d'un rivet dépend de son diamètre, des propriétés matérielles de l'acier rivet et du nombre de plans de cisaillement.

Pendant un tremblement de terre, les forces de cisaillement dans les rivets peuvent devenir importantes en raison des déplacements latéraux cycliques du cadre. Cependant, les rivets présentent généralement un comportement ductile en cisaillement, ce qui signifie qu'ils s'allongent et se déforment significativement avant la fracturation. Cette réponse ductile permet à la connexion de continuer à porter la charge même après que le rivet a subi une déformation plastique importante.

Défaillance du roulement

La rupture du roulement implique le broyage ou la production du matériau de la plaque d'acier autour du trou du rivet. Lorsque le rivet presse contre la plaque, le matériau de la plaque peut produire et allonger le trou, augmentant la clairance et potentiellement réduisant l'efficacité du raccordement. La rupture du roulement est souvent associée à des plaques minces ou des matériaux à faible résistance à la compression par rapport au diamètre du rivet.

En charge sismique, la rupture du roulement peut s'accumuler sur plusieurs cycles, car le rivet porte plusieurs fois contre la plaque dans des directions alternées. L'allongement progressif des trous de rivet peut entraîner une déformation significative de la connexion et une réduction de la rigidité.

Craquage de fatigue

La fissuration de la fatigue est un mode de rupture qui se produit lorsqu'un matériau de rivet ou de la plaque environnante subit des cycles de contrainte répétés qui provoquent l'initiation et la propagation de la fissure. La charge sismique implique généralement une fatigue à cycle faible et à haute résistance, où seulement quelques centaines de cycles peuvent être suffisants pour provoquer des fissures.

La résistance à la fatigue des raccords rivetés est influencée par la qualité de l'installation du rivet. Des rivets mal entraînés qui ne remplissent pas complètement le trou ou qui ont des têtes mal formées peuvent avoir une durée de vie de fatigue réduite. Inversement, des rivets correctement installés avec un bon ajustement et une force de serrage adéquate peuvent obtenir une résistance à la fatigue comparable à celle des raccords boulonnés.

Modernisation des structures rivetées pour la résilience sismique

Plusieurs bâtiments existants avec des cadres en acier riveté ont été conçus avant que des codes sismiques modernes n'aient été élaborés. La remise en état de ces structures pour répondre aux normes de performance sismique actuelles implique souvent d'améliorer les connexions rivetées existantes ou de les compléter par des éléments supplémentaires.

Méthodes d'évaluation

Avant de concevoir une adaptation, les ingénieurs doivent évaluer l'état actuel des connexions rivetées. L'inspection visuelle peut identifier des signes de corrosion, de déformation ou de fissure qui peuvent indiquer la détresse. L'essai par ultrasons peut détecter des failles internes dans les rivets et les plaques, tandis que l'essai par particules magnétiques peut identifier des fissures de surface dans les têtes rivets et les matériaux environnants.

Les méthodes d'évaluation analytique, y compris la modélisation des éléments finis, peuvent simuler le comportement des connexions rivetées sous charge sismique et identifier les modes de défaillance potentiels.Le FEMA P-750 fournit des lignes directrices pour l'évaluation sismique et la rénovation des bâtiments existants, y compris ceux qui ont des cadres en acier riveté.Ces lignes directrices aident les ingénieurs à déterminer si les connexions existantes fournissent une résistance sismique adéquate ou si une intervention est nécessaire.

Techniques de renforcement

Plusieurs techniques sont disponibles pour renforcer les connexions rivetées dans les bâtiments existants. L'ajout de plaques de couvercle ou de raidisseurs boulonnés peut augmenter la capacité et la ductilité de la connexion. Les angles ou les canaux en acier peuvent être boulonnés aux poutres et colonnes existantes pour créer des voies de charge supplémentaires qui réduisent la demande sur les joints rivetés d'origine.

Une approche commune de mise à niveau pour les connexions à moments rivetés consiste à ajouter des haunches ou des côtes soudées à la région de connexion. Ces éléments augmentent la profondeur du faisceau à la connexion, réduisant la contrainte dans les rivets et poussant la charnière en plastique loin de la face de la colonne. Cette technique a été utilisée avec succès dans de nombreux bâtiments dans des régions sismiques actives, y compris la Californie et le Japon. Une autre approche est d'installer des amortisseurs de friction ou des amortisseurs visqueux dans le cadre pour dissiper l'énergie sismique et réduire les forces transmises aux connexions rivetées.

Les raccords rivetés peuvent être conservés et renforcés d'une manière qui respecte le caractère historique du bâtiment tout en respectant les normes de sécurité modernes. Les Normes de remise en état du secrétaire de l'intérieur fournissent des conseils pour la préservation des matériaux et des caractéristiques historiques tout en assurant la sécurité de la vie.

Meilleures pratiques pour les ingénieurs travaillant avec des connexions rivetées

Les ingénieurs responsables de la conception, de l'évaluation ou de la modernisation des gratte-ciel rivetés devraient suivre les pratiques exemplaires établies pour assurer la sécurité structurale pendant les tremblements de terre, notamment en conservant une documentation précise des connexions existantes, en utilisant les propriétés matérielles appropriées en analyse et en tenant compte du comportement unique des articulations rivetées sous charge cyclique.

La documentation doit comprendre la taille et la qualité des rivets, l'épaisseur et la qualité des plaques reliées, le motif et l'espacement des rivets, ainsi que toute modification apportée aux connexions pendant la durée de vie du bâtiment. Les dessins originaux de construction, lorsqu'ils sont disponibles, peuvent fournir des renseignements précieux sur l'intention de conception et les propriétés des matériaux utilisés.

Les propriétés matérielles des rivets historiques peuvent être obtenues à partir de références publiées ou d'essais sur des échantillons retirés du bâtiment. L'acier Rivet a généralement une résistance de rendement entre 200 et 350 MPa et une résistance de traction ultime entre 400 et 500 MPa, bien que ces valeurs peuvent varier considérablement selon l'époque et le fabricant.

Lors de l'analyse des connexions rivetées pour la charge sismique, les ingénieurs devraient tenir compte des effets combinés des forces de cisaillement, de roulement et de traction qui peuvent se produire simultanément pendant un tremblement de terre. L'interaction entre ces forces peut réduire la capacité de la liaison par rapport à la charge dans une seule direction.

Orientations futures dans le design sismique riveté

Bien que le rivetage ne soit plus la méthode principale de raccordement à l'acier dans les nouvelles constructions, la recherche continue d'éclairer la façon dont les structures rivetées peuvent être maintenues et réaménagées. Les progrès de la science des matériaux et de la modélisation structurelle fournissent de nouvelles perspectives sur le comportement des connexions rivetées sous une charge extrême.

L'accent croissant mis sur la résilience et la durabilité dans l'environnement bâti a renouvelé l'intérêt pour la préservation des structures existantes. Le maintien et la modernisation d'un gratte-ciel historique riveté réduisent l'impact environnemental associé à la démolition et à la construction nouvelle tout en préservant le patrimoine culturel du bâtiment.

Conclusion

Le rivetage a joué un rôle fondamental dans la construction des gratte-ciels et continue d'influencer leur sécurité structurale lors des tremblements de terre. Les caractéristiques mécaniques des joints rivetés, y compris leur ductilité, leur capacité de dissipation d'énergie, leur répartition de charge et leur redondance, fournissent une résistance sismique inhérente qui a été validée par la performance des bâtiments historiques dans les tremblements de terre réels.

Les ingénieurs qui évaluent et conçoivent les connexions rivetées devraient se fier aux normes de conception établies, aux méthodes d'inspection approfondies et à une compréhension complète du comportement de connexion sous charge cyclique. En combinant les connaissances traditionnelles avec des outils d'analyse modernes, la communauté de l'ingénierie peut s'assurer que les gratte-ciel rivetés restent résistants face aux tremblements de terre pour les générations à venir.